余建夫，崔建勛

（中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，天津 300220）

引言

一直以來(lái)，通用散貨碼頭門座起重機(jī)（以下簡(jiǎn)稱“門機(jī)”）尤其是非帶斗門機(jī)的自動(dòng)化作業(yè)是當(dāng)前通用散貨碼頭自動(dòng)化裝卸作業(yè)的研究熱點(diǎn)，如何實(shí)現(xiàn)通用散貨碼頭門機(jī)自動(dòng)化作業(yè)也是打造“智慧”港口的重要組成部分。

1 常規(guī)散貨碼頭門機(jī)卸船作業(yè)模式

常規(guī)散貨碼頭門機(jī)卸船作業(yè)時(shí)需配置門機(jī)司機(jī)及看鉤手，由看鉤手指揮門機(jī)司機(jī)完成散貨船舶艙內(nèi)取料作業(yè)。傳統(tǒng)門機(jī)作業(yè)由于操作環(huán)境復(fù)雜，操作動(dòng)作涉及起升、變幅、旋轉(zhuǎn)、行走等多個(gè)動(dòng) 作[1]。既有門機(jī)操作模式具有以下特點(diǎn)：

1）對(duì)司機(jī)操作熟練程度要求較高，也是影響效率的主要因素；而隨著司機(jī)作業(yè)時(shí)長(zhǎng)的增加作業(yè)效率及安全性會(huì)大幅下降；

2）司機(jī)作業(yè)環(huán)境較為惡劣，粉塵較大，對(duì)司機(jī)的身體及作業(yè)視線均會(huì)造成不利影響；

3）人為操作，增加安全隱患，同時(shí)也會(huì)增加違章操作或不規(guī)范操作的風(fēng)險(xiǎn)。

2 門機(jī)自動(dòng)化方案

門機(jī)自動(dòng)化作業(yè)系統(tǒng)主要包括：掃描與定位、自動(dòng)化控制、遠(yuǎn)程操作、安防模塊四個(gè)子系統(tǒng)。

2.1 掃描與定位子系統(tǒng)

掃描與定位子系統(tǒng)包含“掃描和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)”和“定位系統(tǒng)”。

1）掃描和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

在門機(jī)臂架安裝3D 掃描儀及云臺(tái)，如圖1 所示，系統(tǒng)中3D 掃描儀作為眼睛，對(duì)散貨船舶艙口和艙內(nèi)物料進(jìn)行掃描，形成三維圖像及艙口、料堆信息數(shù)據(jù)庫(kù)。數(shù)據(jù)采集控制器可以采集船型，天氣等數(shù)據(jù)并記錄天氣對(duì)船艙晃動(dòng)影響，同時(shí)把數(shù)據(jù)存放在數(shù)據(jù)庫(kù)里，根據(jù)不同的船型、天氣調(diào)用不同的數(shù)據(jù)。同時(shí)3D 掃描儀可對(duì)漏斗進(jìn)行掃描，并進(jìn)行仿真處理，形成三維圖像，確定漏斗位置。

圖1 3D 掃描儀及云臺(tái)Fig.1 3D scanner and gimbal

其中，三維仿真可操作軟件安裝于觸摸屏設(shè)備，三維仿真圖像可立體、真實(shí)的顯示當(dāng)前散貨船舶艙內(nèi)物料及艙口位置、形態(tài)，如圖2 所示。智能三維數(shù)據(jù)采集和處理軟件會(huì)根據(jù)掃描的艙內(nèi)物料信息設(shè)置門機(jī)當(dāng)前可以抓取的區(qū)域，再將靠近艙壁的邊上區(qū)域去掉，選取區(qū)域內(nèi)物料當(dāng)前最高點(diǎn)自動(dòng)抓取。系統(tǒng)會(huì)將該動(dòng)作轉(zhuǎn)化為PLC 控制指令，數(shù)據(jù)采集處理與三維成像系統(tǒng)與PLC 控制系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)交互，實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)變幅帶動(dòng)抓斗平穩(wěn)、精確落入最佳抓料點(diǎn)進(jìn)行抓料卸船。遇到特殊情況，操作人員也可以通過(guò)點(diǎn)擊觸摸屏料堆三維立體圖形選定抓斗抓料點(diǎn)，由PLC 自動(dòng)控制抓斗到達(dá)選定的抓料點(diǎn)進(jìn)行抓料，并自動(dòng)回到后方漏斗卸料。

圖2 船艙三維仿真圖像Fig.2 3D simulation image of the cabin

2）定位系統(tǒng)

精確的定位功能是一切自動(dòng)化作業(yè)的基礎(chǔ)保障，需確保定位精度以實(shí)現(xiàn)對(duì)抓斗的無(wú)人精確控 制[2-3]。所有機(jī)構(gòu)均采用兩套系統(tǒng)進(jìn)行冗余控制，當(dāng)任意一套系統(tǒng)失效時(shí)，系統(tǒng)可以立刻響應(yīng)并執(zhí)行安全保護(hù)策略。

①起升機(jī)構(gòu)：采用增量編碼器、絕對(duì)值編碼器進(jìn)行起升高度定位；

②變幅機(jī)構(gòu)：采用增量編碼器、絕對(duì)值編碼器進(jìn)行門機(jī)幅度定位；

③旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)：采用增量編碼器、絕對(duì)值編碼器、GPS 進(jìn)行門機(jī)幅度定位；

④大車定位：采用增量編碼器、絕對(duì)值編碼器、GPS、FLAG 定位板進(jìn)行門機(jī)大車定位，以編碼器定位為主，F(xiàn)LAG 板定位為輔。

2.2 自動(dòng)化控制子系統(tǒng)

自動(dòng)化控制子系統(tǒng)包含“數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)”和“避讓及防撞系統(tǒng)”。

1）數(shù)據(jù)傳輸

門機(jī)的通訊系統(tǒng)采用光纖通訊。對(duì)比無(wú)線通訊，光纖通訊的可靠性比較高。通訊系統(tǒng)采用傳統(tǒng)的光纜卷盤(pán)方式結(jié)合滑環(huán)改造的方式，光纖通訊系統(tǒng)出現(xiàn)故障，可切換為人工操作作業(yè)。

滑環(huán)旋轉(zhuǎn)處采用無(wú)線方式傳輸數(shù)據(jù)，將門機(jī)設(shè)備上的控制數(shù)據(jù)及視頻數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)街锌叵到y(tǒng)，該系統(tǒng)具有高帶寬、低延時(shí)特性?？刂萍耙曨l數(shù)據(jù)的延時(shí)均可控制在200 ms 以內(nèi)。

2）避讓及防撞

通過(guò)掃描儀可以收集船艙和漏斗信息，通過(guò)門機(jī)自動(dòng)化服務(wù)器計(jì)算出抓斗與船艙、抓斗與漏斗的關(guān)系，通過(guò)計(jì)算兩者之間的距離起到防撞的作用。兩個(gè)相鄰門機(jī)處于面對(duì)面作業(yè)時(shí)，兩個(gè)門機(jī)的臂架可能會(huì)發(fā)生碰撞。在這種情況下，通過(guò)定位門機(jī)各個(gè)機(jī)構(gòu)，經(jīng)由門機(jī)自動(dòng)化服務(wù)器軟件進(jìn)行控制，當(dāng)軟件檢測(cè)到可能發(fā)生碰撞時(shí)，可以預(yù)先進(jìn)行控制，避免出現(xiàn)碰撞[4-5]。

2.3 遠(yuǎn)程操作子系統(tǒng)

遠(yuǎn)程操作子系統(tǒng)由操作臺(tái)、HMI 系統(tǒng)、視頻換和操作臺(tái)PLC 站組成。

1）操作臺(tái)

操作面板上設(shè)有和司機(jī)室聯(lián)動(dòng)臺(tái)相同功能的操作設(shè)備，中控人員可以通過(guò)遠(yuǎn)程操作臺(tái)操作任意一臺(tái)門機(jī)，通過(guò)將“遠(yuǎn)程操作”鑰匙開(kāi)關(guān)打到ON獲取操作權(quán)限?？紤]到遠(yuǎn)程操作與就地操作的不同，可以根據(jù)用戶需要調(diào)整遠(yuǎn)程操作臺(tái)上的按鈕功能，將部分輔助功能的按鈕做到操作臺(tái)相關(guān)軟件中，操作面板上只保留少量必要的按鈕。

2）HMI 系統(tǒng)

操作臺(tái)上配備HMI 系統(tǒng)，如圖3 所示，可以連接到現(xiàn)場(chǎng)任意一臺(tái)門機(jī)上的PLC 并進(jìn)行監(jiān)控。操作人員在中控遠(yuǎn)程操作某一臺(tái)門機(jī)時(shí)，此管理系統(tǒng)可以為司機(jī)提供現(xiàn)場(chǎng)司機(jī)室內(nèi)HMI 相同的功能。系統(tǒng)可將所有門機(jī)的設(shè)備信號(hào)通過(guò)以太網(wǎng)收集到上位軟件中統(tǒng)一管理，通過(guò)主畫(huà)面的按鈕可進(jìn)行各大機(jī)之間的切換。系統(tǒng)具備LCMS 的同等功能，實(shí)時(shí)顯示設(shè)備I/O 點(diǎn)狀態(tài)和故障信號(hào)。

圖3 HMI 系統(tǒng)界面示意圖Fig.3 HMI system interface

3）視頻畫(huà)面

操作臺(tái)上實(shí)時(shí)顯示門機(jī)作業(yè)區(qū)域畫(huà)面，回向可進(jìn)行手動(dòng)切換，也可跟隨動(dòng)作機(jī)構(gòu)自動(dòng)化切換。主要包含船艙畫(huà)面、漏斗監(jiān)控畫(huà)面、電纜導(dǎo)向架、電氣房、機(jī)房以及大車軌道畫(huà)面等。

4）操作臺(tái)PLC 站

在遠(yuǎn)程操作臺(tái)內(nèi)還設(shè)有一個(gè)PLC 站，包括PLC模塊、電源、交換機(jī)、開(kāi)關(guān)等元器件。此PLC 站的主要功能是接收司機(jī)在遠(yuǎn)程操作臺(tái)上下達(dá)的指令并通過(guò)通訊將這些指令輸出到現(xiàn)場(chǎng)各門機(jī)上。

2.4 安防模塊

安防模塊主要包含煙霧報(bào)警模塊、人員入侵報(bào)警模塊、設(shè)備防撞模塊和報(bào)警查詢模塊。

1）煙霧報(bào)警

對(duì)司機(jī)室、機(jī)房、電氣房視頻進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，當(dāng)煙霧濃度達(dá)到一定的閾值時(shí)會(huì)觸發(fā)煙霧報(bào)警，適用于多種應(yīng)用場(chǎng)景。通過(guò)關(guān)鍵區(qū)域監(jiān)控視頻進(jìn)行煙霧檢測(cè)可以實(shí)現(xiàn)煙霧檢測(cè)報(bào)警功能。在煙霧發(fā)生期間，系統(tǒng)會(huì)持續(xù)給出告警，并生成告警特征數(shù)據(jù)、告警照片，供后續(xù)查找、分析、取證。

2）人員入侵報(bào)警

對(duì)大車海側(cè)、路測(cè)視頻進(jìn)行報(bào)警，對(duì)監(jiān)控視頻中行人目標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，包括行人從不同角度、不同方向進(jìn)入視頻告警區(qū)域。行人在告警區(qū)域內(nèi)期間，系統(tǒng)持續(xù)給出告警，并生成告警特征數(shù)據(jù)、告警照片，供后續(xù)查找、分析、取證[6-7]。

3）設(shè)備防撞

分析大車海側(cè)、路測(cè)攝像頭視頻，發(fā)現(xiàn)有人員侵入防撞區(qū)域時(shí)，實(shí)時(shí)定位其位置，并生成結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，對(duì)接控制網(wǎng)，通過(guò)防撞接口發(fā)送防撞控制指令，啟動(dòng)防撞系統(tǒng)，對(duì)大車進(jìn)行減速并停止，以達(dá)到自動(dòng)防撞的效果，減少侵入人員人身傷害。安防模塊發(fā)送兩路信號(hào)，一路為狀態(tài)信號(hào)（人員入侵、煙霧告警等），一路為視頻流數(shù)據(jù)（現(xiàn)場(chǎng)照片）。

4）報(bào)警查詢

針對(duì)本期項(xiàng)目，定制開(kāi)發(fā)告警管理統(tǒng)計(jì)功能。綁定的設(shè)備，可以被查看和檢索，可查看設(shè)備數(shù)、報(bào)警總數(shù)、當(dāng)日?qǐng)?bào)警數(shù)、報(bào)警信息列表、報(bào)警圖片等全局信息。

2.5 門機(jī)自動(dòng)化作業(yè)流程

在現(xiàn)有技術(shù)條件下，門機(jī)自動(dòng)化作業(yè)采用的是門機(jī)自動(dòng)作業(yè)與遠(yuǎn)程人工操作作業(yè)相結(jié)合的方式。具體流程是：

船舶靠岸停好后，根據(jù)調(diào)度指示中控派工遠(yuǎn)程人工操作門機(jī)行車到指定位置，行車過(guò)程需有人現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)護(hù)，自卸車將漏斗移動(dòng)到指定位置，門機(jī)上的掃描儀和圖像識(shí)別設(shè)備對(duì)船艙和漏斗進(jìn)行掃描識(shí)別（船艙信息會(huì)儲(chǔ)存到數(shù)據(jù)庫(kù)中方便今后調(diào)用），根據(jù)調(diào)度指示中控派工門機(jī)開(kāi)工，中控人員在中控室對(duì)門機(jī)自動(dòng)化作業(yè)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，出現(xiàn)異常情況及時(shí)介入人工操作，自卸車進(jìn)入漏斗接貨（目前采用的工藝是自卸車與碼頭岸線水平進(jìn)入漏斗接貨），根據(jù)調(diào)度指示中控切換為遠(yuǎn)程人工操作吊取下艙機(jī)械下艙，過(guò)程需有人現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)護(hù)，下艙機(jī)械在船艙作業(yè)應(yīng)拉警戒線，根據(jù)調(diào)度指示中控派工門機(jī)繼續(xù)自動(dòng)作業(yè)，中控遠(yuǎn)程人工操作門機(jī)清艙底，吊取下艙機(jī)械，行車到調(diào)度指示位置避讓船舶離港。

3 門機(jī)自動(dòng)化方案技術(shù)難點(diǎn)

3.1 自動(dòng)化門機(jī)防搖技術(shù)

門機(jī)在裝卸貨物時(shí)，由于其速度的變化以及外界干擾因素的影響，使抓斗前后，左右的來(lái)回?cái)[動(dòng)，在影響作業(yè)效率的同時(shí)造成一定的安全隱患。目前在門機(jī)作業(yè)時(shí)主要依靠門機(jī)司機(jī)的實(shí)時(shí)操作控制門機(jī)抓斗的擺動(dòng)。

門機(jī)防搖技術(shù)的難點(diǎn)主要有以下兩點(diǎn)：

1）不同于集裝箱岸橋作業(yè)時(shí)吊具在一個(gè)平面內(nèi)二維空間運(yùn)動(dòng)，門機(jī)作業(yè)時(shí)抓斗是在一個(gè)立體的三維空間內(nèi)運(yùn)動(dòng)（起升、變幅、旋轉(zhuǎn)三機(jī)構(gòu)聯(lián)動(dòng)），其運(yùn)動(dòng)比較復(fù)雜，模型的建立比較困難。

2）門機(jī)抓斗當(dāng)前的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)沒(méi)有反饋，所有的控制都是基于開(kāi)環(huán)控制，控制精度難以保證。

目前防搖技術(shù)在二維平面基本上可以依靠建立數(shù)學(xué)模型的開(kāi)環(huán)控制，三維空間的東營(yíng)港目前也是在實(shí)踐過(guò)程中，運(yùn)行效果不錯(cuò)[8]。防搖技術(shù)正在研究當(dāng)中。針對(duì)外界的擾動(dòng)（如突然的陣風(fēng)等），目前還是依靠監(jiān)控室的人工即時(shí)介入。

3.2 自動(dòng)化門機(jī)作業(yè)粘度較大的貨類

粘度較大的貨類例如巴西礦、印度粉等，由于在作業(yè)時(shí)貨會(huì)粘在抓斗上，人工作業(yè)時(shí)司機(jī)會(huì)進(jìn)行清斗。目前，自動(dòng)化門機(jī)作業(yè)無(wú)法做到自動(dòng)清斗，粘度較大的貨類需要遠(yuǎn)程操作門機(jī)作業(yè)。如果采用閉斗進(jìn)艙，自動(dòng)化門機(jī)則可以進(jìn)行粘度較大的貨類的作業(yè)，但影響一點(diǎn)兒效率。

3.3 自動(dòng)化門機(jī)作業(yè)清倉(cāng)

在船艙清倉(cāng)作業(yè)時(shí)，由于艙內(nèi)比較復(fù)雜，同時(shí)艙內(nèi)有人機(jī)作業(yè)，門機(jī)自動(dòng)化作業(yè)可能會(huì)與艙底、艙內(nèi)設(shè)施、艙內(nèi)工人發(fā)生交叉。目前，門機(jī)自動(dòng)化作業(yè)在清倉(cāng)時(shí)需要遠(yuǎn)程操作門機(jī)作業(yè)。

4 結(jié)語(yǔ)

既有的普通卸散貨船的作業(yè)模式是司機(jī)+看鉤手的作業(yè)模式，實(shí)施自動(dòng)化作業(yè)模式和遠(yuǎn)程操控模式后，現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員能夠大幅減少，遠(yuǎn)程操控可以實(shí)現(xiàn)一人雙機(jī)或一人多機(jī)作業(yè)。自動(dòng)化作業(yè)及遠(yuǎn)程操控模式，能夠避免既有作業(yè)模式中門機(jī)司機(jī)吃飯、換班等生活時(shí)間，有效作業(yè)時(shí)間有了增加，同等作業(yè)工況下，自動(dòng)化作業(yè)模式作業(yè)效率更加穩(wěn)定。現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員大幅減少，人為參與環(huán)節(jié)也大幅減少，特別是作業(yè)人員疲勞程度的下降，都對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的安全管控起到了一定的積極作用。雨天或霧天作業(yè)，有效提高了作業(yè)的可靠性。